克拉蘇構(gòu)造帶超深儲層構(gòu)造主裂縫識別

周 鵬，周 露，朱文慧，羅海寧，王佐濤

(中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶白堊系巴什基奇克組儲集層埋藏深度較大(普遍大于6 000 m)、垂向壓實及水平擠壓作用較強，巖性致密，基質(zhì)孔隙度低，一般為4%～8%。前人在克拉蘇構(gòu)造帶的儲層研究中做了大量工作，認為裂縫在儲集層的流體滲流過程中起到了重要作用。大多數(shù)學(xué)者對克拉蘇構(gòu)造帶的裂縫研究主要集中在裂縫的分類、平面預(yù)測及與產(chǎn)能之間的關(guān)系等方面[1-5]，對垂向上裂縫的發(fā)育特征研究較少。隨著克拉蘇構(gòu)造帶勘探程度的加深，部分井的裂縫密度與產(chǎn)能之間出現(xiàn)了矛盾。理論研究表明，當(dāng)裂縫走向與最大主應(yīng)力的夾角超過45 °時，裂縫有效性降低，但測試資料表明，仍存在裂縫走向與最大主應(yīng)力走向存在大夾角而獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流的現(xiàn)象。基于以上矛盾，以巖心及FMI成像測井資料為基礎(chǔ)，在明確不同應(yīng)力環(huán)境裂縫特征的基礎(chǔ)上，提出規(guī)模大、有效性強、與褶皺同時期形成的構(gòu)造型裂縫才是真正的高產(chǎn)滲流通道，并通過構(gòu)造傾角校正的方法將裂縫的視產(chǎn)狀還原到地層水平條件下，從大量伴生縫或者早期形成的裂縫中剝離出規(guī)模較大的構(gòu)造主裂縫。在當(dāng)今低油價的情勢下，構(gòu)造主裂縫的識別為射孔井段優(yōu)選、儲層改造方案優(yōu)化、降低勘探成本提供理論依據(jù)。基于以上矛盾，以巖心及FMI成像測井資料為基礎(chǔ)，在理清不同應(yīng)力環(huán)境裂縫特征的基礎(chǔ)上，提出了構(gòu)造主裂縫的裂縫評價研究思路，明確了裂縫發(fā)育規(guī)模的差異性原因。構(gòu)造主裂縫的識別為射孔井段優(yōu)選、儲層改造方案優(yōu)化、降低勘探成本提供了理論依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)特征

研究區(qū)位于塔里木盆地庫車坳陷中部的克拉蘇構(gòu)造帶，根據(jù)目前的鉆井資料顯示，克拉蘇構(gòu)造帶鉆遇地層自上而下分別為第四系，古近系庫車組、康村組、吉迪克組、蘇維依組、庫姆格列木群及下白堊統(tǒng)巴什基奇克組(圖1)。其中，下白堊系巴什基奇克組為主要勘探目的層，埋深普遍超過6 000 m，巖性以細砂巖為主，局部發(fā)育泥巖夾層，屬于辮狀河三角洲、扇三角洲前緣沉積，儲集層厚度為250～320 m[6-12]。儲集層上覆的古近系庫姆格列木群膏鹽巖是區(qū)域性的優(yōu)質(zhì)蓋層，也是區(qū)域性的滑脫層[13]；儲集層之下為下白堊系巴西改組、舒善河組，巴西改組是以細砂巖為主的“硬性”地層，舒善河組為厚度在1 200 m左右的大套泥巖地層，是一套區(qū)域性的次級滑脫層。受新生代晚期強烈擠壓作用的影響，克拉蘇構(gòu)造帶廣泛發(fā)育高角度的逆沖疊瓦狀構(gòu)造，夾持在上下2套滑脫層之間的巴什基奇克組及巴西改組的砂巖地層產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力環(huán)境產(chǎn)生差異。根據(jù)電阻率測井、地應(yīng)力、巖心、巖石學(xué)特征等綜合研究[14-16]，自上而下將白堊系儲集層分為張性段(距儲集層頂部80～160 m)、過渡段(距儲集層頂部100～200 m)、壓扭段(距儲集層頂超過200 m)，其中，張性段儲集層儲層品質(zhì)最高，過渡段次之，壓扭段最差。

圖1 克深井區(qū)典型井?dāng)啾承睉?yīng)力中和面垂向分段特征

2 構(gòu)造主裂縫的識別

2.1 研究區(qū)裂縫發(fā)育特征

2.1.1 巖心裂縫發(fā)育特征

根據(jù)克深、大北地區(qū)巖心觀察，巖心中主要發(fā)育高角度雁列狀裂縫、“T字型”、“π字型”、“牙刷型”等[17-18]組合型裂縫及低角度網(wǎng)狀縫(圖2)。一般情況下，在儲層頂部的張性段，受局部拉張應(yīng)力的影響，裂縫以高角度雁列狀為主，裂縫縱深長、開度大，以方解石半充填為主，裂縫線密度為0.5～3.0 條/m，溶蝕現(xiàn)象明顯，裂縫線密度較低，局部在高傾角裂縫之間或縫的端部發(fā)育數(shù)量較多的伴生縫，但裂縫開度小，規(guī)模有限。

圖2 克深井區(qū)不同應(yīng)力段巖心裂縫特征

過渡段儲集層中，由于擠壓應(yīng)力逐漸增強，抵消了部分拉張應(yīng)力，在過渡段儲集層中發(fā)育的裂縫規(guī)模有所降低，線密度有所提高，一般為1.0～5.0 條/m。組合型裂縫逐漸增多，縫寬較小，以方解石半充填-全充填為主，有效裂縫的發(fā)育數(shù)量有限，無效裂縫的數(shù)量有所增加。

壓扭段儲集層中，裂縫密度顯著升高。擠壓應(yīng)力進一步增強，巖性致密，早期形成的有效縫進一步受到擠壓而閉合，并形成裂縫線密度為10.0～26.0條/m的傾角雜亂的網(wǎng)狀裂縫帶，裂縫數(shù)量雖多，但有效性明顯降低。

2.1.2 FMI成像測井中裂縫發(fā)育特征

FMI成像測井中的裂縫發(fā)育特征與巖心相似。以水基鉆井液環(huán)境下的KS2A井為例，在122 m的張性段儲集層中，裂縫線密度為3.0 條/m，裂縫平均開度為0.35 mm；99 m的過渡段儲集層中，裂縫線密度為4.1 條/m，裂縫平均開度為0.22 mm；78 m的壓扭段儲集層中，裂縫線密度為9.1 條/m，裂縫平均開度為20.13 mm。成像測井資料顯示，白堊系巴什基奇克組儲集層垂向上裂縫發(fā)育程度逐漸變大，但裂縫規(guī)模卻越來越小。

基于巖心及FMI成像測井資料的裂縫解析研究表明，由于垂向上儲集層應(yīng)力環(huán)境差異，儲集層品質(zhì)及裂縫的發(fā)育特征存在一定的分層性。巴什基奇克組儲集層中張性段、過渡段裂縫發(fā)育數(shù)量少，但裂縫有效性高；壓扭段儲集層出現(xiàn)大量網(wǎng)狀縫，線密度大但有效性差。

2.2 構(gòu)造主裂縫的定義及研究思路

由于巖心資料過少，代表性差，巖心裂縫描述無法真實地體現(xiàn)裂縫在地下儲層中的真實規(guī)模；而FMI成像測井雖然能體現(xiàn)儲層裂縫發(fā)育的連續(xù)性，但多解性強。大量的巖心及FMI成像測井資料顯示，裂縫數(shù)量并不是決定裂縫有效性的關(guān)鍵因素(圖3)，F(xiàn)MI成像識別出15條傾角在40～70 °之間的裂縫，從巖心歸位標(biāo)定后發(fā)現(xiàn)，該處僅發(fā)育2條規(guī)模較大的裂縫，其余均以伴生縫的形式存在。

通過對不同構(gòu)造位置的鉆井巖心、成像測井資料的分析，張性段及過渡段中規(guī)模較大的裂縫總體與地層近似垂直、傾向相反，而規(guī)模較小的裂縫常與地層斜交，傾角雜亂，多為規(guī)模較大裂縫的伴生縫；壓扭段儲層較少發(fā)育有效裂縫，傾角、傾向均雜亂。

圖3 基于巖心標(biāo)定下FMI成像測井裂縫組合

儲集層垂向的有效溝通需要相對規(guī)模大、滲流特征明顯的裂縫。因此，借鑒構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中主節(jié)理的研究內(nèi)容，定義構(gòu)造主裂縫是由于構(gòu)造運動作用下產(chǎn)生的規(guī)模明顯大于研究區(qū)平均裂縫規(guī)模的、有效性高的、滲透率大的構(gòu)造型裂縫。構(gòu)造主裂縫基本上與地層垂直，裂縫傾向與地層傾向相反(圖4)；而伴生縫常與地層斜交，裂縫傾向與地層傾向之間夾角可呈任意角度。

圖4 應(yīng)力環(huán)境差異下裂縫發(fā)育特征

3 基于地層傾角的FMI成像測井裂縫傾角校正

根據(jù)上述研究思路，通過FMI成像裂縫傾角校正方法，將地層還原到水平條件下，在剔除大量次生裂縫的基礎(chǔ)上，找出儲層中構(gòu)造主裂縫的相應(yīng)位置，還原真正的裂縫發(fā)育規(guī)模，為儲層改造提供合理的理論基礎(chǔ)。具體做法如下[19-20]。

(1) 將巖層界面的單位法向矢量分解為大地坐標(biāo)系中的3個分量。

(2) 經(jīng)過坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)后，求出分量在地層傾角坐標(biāo)系中的視傾角、視傾向，通過整理可得到地層的視傾角，進而求得裂縫在地層傾角坐標(biāo)系中的視傾角。

(3) 裂縫校正方法與地層傾角校正方法相似，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、坐標(biāo)變換后，得到裂縫法線矢量在大地坐標(biāo)系中的3個分量轉(zhuǎn)換為地層傾角坐標(biāo)系矢量的分量。得到裂縫法線矢量在大地坐標(biāo)系中的分量，將其再轉(zhuǎn)換至地層傾角坐標(biāo)系中。

(4) 計算裂縫相對地層的傾角、視傾向，利用FMI成像測井可以識別出地層的視傾角、視傾向，則計算裂縫在成像圖中識別的裂縫視傾角、裂縫相對地層的視傾向差，最終求出裂縫在地層傾角坐標(biāo)系中的視傾向。

(5) 通過坐標(biāo)變換及計算，校正裂縫相對于地層的傾角。

4 構(gòu)造主裂縫識別結(jié)果及地質(zhì)意義

4.1 構(gòu)造主裂縫識別結(jié)果

通過上述方法將裂縫的視傾角校正到地層水平條件下的真傾角后，與褶皺同時期形成的構(gòu)造型裂縫傾角會普遍增大，構(gòu)造主裂縫傾角總體與地層垂直，一般在校正后大于80 °；而非構(gòu)造形成的次級裂縫或伴生裂縫在校正后裂縫傾角普遍減小，校正后裂縫傾角為20～60 °。根據(jù)這一規(guī)律，以克深2井區(qū)構(gòu)造高部位的KS201井為例，目的層頂部6 492～6 784 m的井段共發(fā)育290條裂縫，地層傾角、傾向按照白堊系巴什基奇克組頂部庫姆格列木群下泥巖段中識別的泥巖層理進行裂縫傾角校正，識別KS201井處的地層傾角為11 °、傾向為355 °。結(jié)果表明，該井共識別出20條構(gòu)造主裂縫(圖5)，僅占裂縫總數(shù)量的6.9%；該井裂縫走向總體以WE、NW、NS向為主，而構(gòu)造主裂縫卻以WE方向為主，主裂縫傾角普遍大于80 °，裂縫傾向與地層傾向相反，反映構(gòu)造縫特征；非構(gòu)造主裂縫的發(fā)育數(shù)量較大，會掩蓋主裂縫的真實走向，在裂縫評價過程中，須注意剝離非構(gòu)造裂縫。

4.2 構(gòu)造主裂縫與產(chǎn)量之間的關(guān)系

克拉蘇構(gòu)造帶由于儲層埋藏深度大、巖性致密，裂縫較發(fā)育，一般需對裂縫集中發(fā)育段進行射孔優(yōu)選、酸化、壓裂等作業(yè)，才能保證氣井高產(chǎn)。部分學(xué)者[8，20]認為，如果裂縫走向與最大水平主應(yīng)力夾角大于45 °，裂縫面會受到擠壓而發(fā)生閉合，繼而降低裂縫的有效性；裂縫走向與最大水平主應(yīng)力夾角小于45 °，裂縫才能保持有效性，通常對地應(yīng)力與裂縫走向夾角較小的位置進行射孔。裂縫優(yōu)勢方向代表數(shù)量眾多的伴生縫、次級裂縫的走向，該種裂縫數(shù)量多、規(guī)模小、有效性差、滲流能力有限；而構(gòu)造主裂縫的數(shù)量少，規(guī)模卻明顯大的多，裂縫的優(yōu)勢方向會掩蓋構(gòu)造主裂縫的真實方向。因此，構(gòu)造主裂縫與最大主應(yīng)力方向的夾角評價，才是氣藏評價井高產(chǎn)的關(guān)鍵，而非裂縫的優(yōu)勢方向與最大主應(yīng)力方向的夾角評價。實鉆資料表明，克拉蘇構(gòu)造帶儲層裂縫走向與最大水平主應(yīng)力夾角大于45 °的井仍然獲得高產(chǎn)氣流，如KS202井，裂縫走向以WWN、NWW 2個優(yōu)勢方向為主，與最大主應(yīng)力走向之間的夾角為40～50 °，通過裂縫傾角校正后，剝離出構(gòu)造主裂縫的走向與最大主應(yīng)力的夾角為10 °；位于南翼近斷裂的KS2-2-3井，裂縫優(yōu)勢方向為NW—SE、EW，裂縫優(yōu)勢方向與最大主應(yīng)力方向夾角為40～50 °，理論上裂縫有效性差，較難獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流。測試資料表明，該井測試中獲得日產(chǎn)氣為25.32×104m3/d(表1)。

通過構(gòu)造傾角校正后，主裂縫方向與最大主應(yīng)力方向夾角僅為12 °。因此，在儲集層改造中，需識別出構(gòu)造主裂縫的發(fā)育位置，為射孔方案、壓裂層段優(yōu)選提供理論支持。

5 結(jié) 論

(1) 白堊系巴什基奇克組儲集層垂向應(yīng)力分布存在差異，從上至下分為張性段、過渡段、壓扭段。張性段以拉張應(yīng)力為主，裂縫發(fā)育密度低，有效性高；過渡段拉張應(yīng)力有所減弱，裂縫發(fā)育密度有所提高，但有效性降低；壓扭段儲集層以擠壓應(yīng)力為主，裂縫發(fā)育密度顯著提高，有效性最差。

(2) 通過構(gòu)造傾角校正方法可以較好地識別出構(gòu)造主裂縫的發(fā)育位置，一般情況下，校正后傾角大于80°的裂縫，才是克拉蘇地區(qū)鹽下超深儲層中的構(gòu)造主裂縫，氣測顯示好；非構(gòu)造主裂縫的發(fā)育數(shù)量大，通過地層傾角校正后，裂縫傾角普遍集中在20～60 °，規(guī)模較小。

(3) 當(dāng)最大主應(yīng)力方向與構(gòu)造主裂縫走向夾角小于45 °時，構(gòu)造主裂縫才能保持有效性，在構(gòu)造主裂縫位置處射孔測試及儲層改造才是氣井高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。

圖5 克拉蘇構(gòu)造帶典型井裂縫傾角校正綜合柱狀圖

表1 克拉蘇構(gòu)造帶克深2氣藏裂縫走向與最大主應(yīng)力方向統(tǒng)計

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